Caratteristiche delle Turbine a gas e delle fuel cell integrate in un sistema ibrido

Un tipico sistema ibrido, recupera l'energia termica scaricata dalla cella a combustibile e la trasforma in energia elettrica attraverso un motore termico. Per implementare questa tecnologia sono state considerate diverse tipologie d’impianto, tra cui le turbine a gas, le turbine a vapore e motori alternativi. L’unico dispositivo però che è stato testato è una micro-turbina a gas (MTG). Essa risulta essere particolarmente compatibile con una cella a combustibile ad alta temperatura in

un sistema ibrido. Ciò è dovuto a diverse caratteristiche, quali:

 Le MTG richiedono una temperatura di ingresso relativamente bassa, che può essere fornita

da una cella a combustibile ad alta temperatura;

 La MTG funziona con rapporti di pressione relativamente bassi, adatti per essere utilizzati

sia direttamente nella cella a combustibile ad alta temperatura o in altri componenti del sistema ibrido;

 Una MTG recupera il calore attraverso scambiatori di calore oppure attraverso il passaggio

di grandi volumi di gas tra il compressore e la turbina, ciò la rende particolarmente indicata per un ciclo ibrido;

 Il calore scaricato dalla cella a combustibile è sufficiente per alimentare una MTG;

 La dimensione attuale della maggior parte dei sistemi a celle a combustibile è relativamente

modesto (tra 250 kW e 1,5 MW), il che si sposa perfettamente con una MTG;

 La densità di potenza del sistema può essere aumentata, se aumenta la produzione della

cella a combustibile:

 Il costo del sistema ibrido è potenzialmente inferiore.

Bisogna comunque sottolineare che le caratteristiche delle turbina a gas nelle applicazioni ibride non sono necessariamente quelle delle turbine a gas che funzionano stand-alone. Di solito, infatti, le TG necessitano di alte temperature dei fumi in ingresso ed un rapporto di compressione più elevato per migliorare le prestazioni della turbina. Nei cicli ibridi con una cella a combustibile ad alta temperatura, non sono necessari invece alti rapporti di pressione particolarmente elevati oppure elevate temperature di ingresso dei fumi. Proprio questo rende particolarmente facile la realizzazione di sistemi ibridi, anche se è necessario ed auspicabile un miglioramento dell'efficienza di tutti i componenti.

Anche se le MTG si prestano molto bene per l’integrazione con celle a combustibile, la ricerca si propone di studiare e poi realizzare sistemi di taglia maggiore. L’aumento della taglia degli impianti ibridi, infatti, presuppone che le celle siano in grado di resistere a pressioni molto elevate. Molti studi evidenziano proprio che l'efficienza di conversione elettrica è del 72-74 % per sistemi di taglia inferiore ai 10 MW, mentre con sistemi più grandi si può raggiungere efficienze superiore al 75%. Quindi non appena le MCFC e le SOFC saranno in grado di resistere a pressioni maggiori si renderà necessario l’utilizzo di TG più sofisticati e più potenti.

La turbina a gas unita ad una fuel cell è un sistema che è stato concepito a metà degli anni 70. Nel 1998 erano stati brevettati più di dieci sistemi ibridi, che si differenziavano principalmente per la tipologia di cella a combustibile utilizzata, per la posizione dei componenti nel sistema integrato o per la pressione di esercizio del sistema. Il concetto di base di un sistema ibrido turbina a gas e

cella a combustibile è illustrato nella Figura14, dove la cella a combustibile sostituisce il tipico ciclo Brayton di un tipico motore a combustione. Il risultato che ne deriva è la produzione diretta dell’energia elettrica da parte della cella a combustibile. Quindi, con questo sistema, il calore scaricato dalla cella a combustibile viene utilizzato per fornire tutta la potenza necessaria alla compressione e per produrre energia elettrica attraverso un turbo-generatore. La produzione di energia elettrica con un dispositivo elettrochimico riduce le emissioni e aumenta l'efficienza. Come risultato si ottiene che circa l’80% dell’ energia elettrica è prodotta dalla cella a combustibile, la restante parte di energia è prodotta nel turbo-generatore.

L'obiettivo della progettazione di un sistema ibrido è di integrare due o più dispositivi di conversione dell'energia in un unico sistema che offra vantaggi in termini di flessibilità nell’utilizzo del carburante, efficienza, disponibilità, economicità e sostenibilità che ognuno dei dispositivi da solo non sarebbe in grado di fornire. “Sinergia” è il termine più utilizzato per descrivere i sistemi ibridi in quanto i componenti integrati garantiscono prestazioni superiori alla somma delle prestazioni dei singoli elementi. Nel caso particolare di un sistema ibrido turbina a gas e celle a combustibile i concetti di progettazione principali sono i seguenti:

1. Convertire la maggior parte dell’energia nella cella a combustibile, sfruttando le reazioni di elettro-ossidazione, determinando basse emissioni di inquinanti ed efficienze di conversione relativamente elevate;

2. Utilizzare il calore prodotto nella cella a combustibile e il calore dei fumi scaricati dalla turbina in altre parti del sistema come, ad esempio, per il trattamento del combustibile, il preriscaldamento dei reagenti o per fornire la potenza di compressione. In modo così da migliorare l'efficienza complessiva;

3. Utilizzare l'alta pressione prodotta dalla turbina a gas per migliorare l’output della fuel cell e l'efficienza;

4. Utilizzare i flussi separati del combustibile e dell’ ossidante della cella a combustibile per migliorare altre funzionalità come ad esempio il sequestro della CO2 o la produzione del combustibile del ciclo ibrido.

La sinergia può essere realizzata in molti modi. L'utilizzo di una cella a combustibile che lavora ad alte pressioni tra il compressore e la turbina di un TG porta sia ad un aumento della potenza di cella sia ad una riduzione delle perdite elettrochimiche, il che comporta una maggiore efficienza. Inoltre, il fatto che in una cella a combustibile i flussi del combustibile e dell’ ossidante siano separati, offre molteplici opportunità per aumentare le prestazioni del ciclo ibrido e rende più facile la cattura della CO2